bâtiments, transports, biodiversité

VILLE
DURABLE
ÉNERGIE,
URBANISME
BÂTIMENTS, TRANSPORTS, BIODIVERSITÉ :
LES APPORTS DE LA CHAIRE D’ÉCO-CONCEPTION
PARISTECH – VINCI À LA VILLE DURABLE
AUTEURS : FERNANDA GOMES, ÉCOLE DES PONTS PARISTECH, LABORATOIRE NAVIER - GRÉGORY HERFRAY, MINES PARISTECH, CENTRE ÉNERGÉTIQUE
ET PROCÉDÉS - HOUDA BOUJNAH, ÉCOLE DES PONTS PARISTECH, LABORATOIRE VILLE MOBILITÉ ET TRANSPORTS - ALEXANDRE HENRY, AGROPARITECH,
LABORATOIRE ÉCOLOGIE SYSTÉMIQUE ÉVOLUTION - MATHIEU RIVALLAIN, ÉCOLE DES PONTS CO-ENCADRÉ PAR MINES PARISTECH, LABORATOIRE VILLE
MOBILITÉ ET TRANSPORTS - MAXIME TROCMÉ, VINCI - CHRISTOPHE GOBIN, VINCI CONSTRUCTION FRANCE
DEPUIS 2008, LA CHAIRE « ÉCO-CONCEPTION DES ENSEMBLES BÂTIS ET DES INFRASTRUCTURES » EST UN PARTENARIAT
DE LONG TERME ENTRE VINCI ET TROIS ÉCOLES DE PARISTECH (MINES PARISTECH, L’ÉCOLE DES PONTS PARISTECH ET
AGROPARISTECH) AYANT POUR BUT DE DÉVELOPPER LA RECHERCHE ET L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR DANS CE
DOMAINE. EN 2011, AU TERME DE TROIS ANNÉES D’ACTIVITÉ, LA CHAIRE « ÉCO-CONCEPTION » PARISTECH VINCI VIENT
DE FRANCHIR UNE PREMIÈRE ÉTAPE, DONT IL EST UTILE DE PRÉSENTER LES ACQUIS EN RESTITUANT LA PROBLÉMATIQUE
AVANT DE LES DÉVELOPPER.
MISE EN PERSPECTIVE
DES PREMIERS ACQUIS
Elle s’opère en trois étapes.
LES OBJECTIFS DE LA CHAIRE
La Chaire a pour objectif d’asseoir les
démarches de progrès de l’éco-conception par la consolidation de méthodes
appropriées, en particulier l’Analyse du
Cycle de Vie (ACV).
Les outils de modélisation existants
sont enrichis en étendant leur domaine
d’application à la dimension du quartier
et en abordant de manière intégrée,
bâtiment (neufs et existants), transports
et espaces verts dans la conception des
quartiers.
Il est en effet primordial de mieux
prendre en compte les aspects environnementaux dans la conception et la
gestion des éco-quartiers et des infrastructures de transport.
Enfin, la Chaire contribue à créer une
communauté scientifique autour de la
problématique de l’éco-conception, en
mutualisant les efforts de trois écoles
de ParisTech et de laboratoires de
recherche qui leur sont associés, et
en suscitant un vrai débat au niveau
français.
différents groupes miroir, qu’il était
indispensable d’apporter une réponse
à 5 questions essentielles :
Comment stabiliser les bases de
données environnementales des composants élémentaires du cadre bâti ?
La question de la fiabilité des bases de
données environnementales EcoInvent
et INIES pose actuellement problème
tant par l’échelle géographique pour la
première que par les hypothèses simplificatrices de la seconde.
Comment prendre en compte la
variation dans le temps des impacts
1- Influence de
la composition
chimique des
aciers sur les
impacts environnementaux.
1- Influence of
the chemical
composition
of steels on
environmental
impacts.
environnementaux (par exemple l’évolution environnementale horaire du mix
électrique) ?
Comment améliorer la modélisation
des déplacements, compte tenu de différentes morphologies urbaines, afin de
l’intégrer dans le processus d’aide à la
décision ?
Comment caractériser les services
rendus à la ville par la biodiversité et
les intégrer dans le cahier des charges
urbain ?
Comment optimiser l’éco-conception
par l’ACV sous contrainte de coûts ?
Pour une mesure efficace au cours
de cette première phase de vie de
la chaire, il est apparu, autant aux
chercheurs qu’aux opérationnels des
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1
© DR
LES PROBLÈMES IDENTIFIÉS
© DR
L’ANALYSE DE CYCLE
DE VIE APPLIQUÉE
AUX QUARTIERS
2
LES PREMIÈRES RÉPONSES
Les travaux des chercheurs de la Chaire
apportent des éléments de réponse à
ces problématiques. Dans cet article
sont développés les travaux de cinq
des 20 doctorants ou post-doctorants
de la Chaire.
Fernanda Gomes (École des Ponts
ParisTech) contribue à la mise en place
d’une base de données unique utilisable
tant dans la construction de bâtiments
que de construction de génie civil
(cf revue TRAVAUX 877 de décembre
2010). Grégory Herfray (MINES ParisTech) a développé un modèle d’ACV
dynamique adapté au quartier. Houda
Boujnah (École des Ponts ParisTech)
contribue à l’approfondissement de la
fonction stationnement dans un quartier.
Alexandre Henry (AgroParitech) entreprend une caractérisation de l’unité
fonctionnelle dans sa dimension biodiversité. Enfin, Mathieu Rivallain (École
des Ponts co-encadré par MINES ParisTech) contribue à l’optimisation de la
ressource économique pour engager
des actions d’éco-conception techniques au niveau d’un parc.
LES BASES DE DONNÉES
ENVIRONNEMENTALES
Les bilans environnementaux se généralisent dans le domaine de la construction. Comme dans toute analyse visant
à comparer des structures ou des
ouvrages, il est important d’utiliser
des données fiables avec une source
identifiée.
L’objectif du travail réalisé entre l’équipe
Structure du laboratoire Navier et la
Chaire concerne les principaux matériaux de construction : béton, acier, bois,
matériaux composites et polymères.
2- Influence du
type de filière de
production de
l’acier et du mix
énergétique sur
les impacts environnementaux.
2- Influence
of the type of
steel production
process and the
energy mix on
environmental
impacts.
Un focus est fait dans ce document
sur le matériau acier mais la démarche
suivie reste la même quel que soit le
matériau étudié. Cette démarche se
décompose en une étude fine du ou
des processus de fabrication, une identification des bases de données environnementales existantes, une étude des
différentes méthodologies appliquées
et enfin une comparaison des résultats
obtenus. Il est important de comprendre
et d’évaluer la variabilité d’une base à
l’autre et de savoir quels sont les paramètres qui influencent le plus l’impact
environnemental d’un matériau (par
exemple, pour le béton il est clair que
c’est le type de ciment qui influence le
plus son bilan CO2). Cela peut conduire à
recréer des données environnementales
plus fines et plus représentatives du
secteur de la construction si besoin est.
En parallèle à la démarche de la Chaire,
l'Association Française de Génie Civil
(AFGC) a créé le groupe « DIOGEN » en
vue de construire une base de données
relative aux impacts environnementaux
de production des matériaux utilisés
en France constitutifs des ouvrages de
génie civil. Ce groupe de travail, lancé
en 2010, réunit tous les représentants
de la profession (producteurs, entreprises, concepteurs, universités, réseau
scientifique et technique du MEDDTL)
en vue de réaliser une base de données spécifiques, librement accessible,
autour de règles communes.
Quelques résultats relatifs au matériau
acier sont présentés en figure 1. Il existe
deux principales bases de données
pour ce matériau : la base de la World
Steel Association, qui regroupe les plus
grands producteurs d’acier du monde,
et la base Ecoinvent, comportant
de nombreuses données génériques
correspondant à des moyennes européennes ou d’origine suisse. Les résultats de la modélisation sont sensibles
à certains aspects de la production de
l’acier, comme par exemple le mix énergétique employé pendant la fabrication
de l’acier, le pourcentage entre la filière
haut fourneau et la filière électrique pour
un certain produit et encore la composition chimique des aciers (alliages).
La comparaison sur différents indicateurs (énergie consommée, CO2, toxicité, épuisement des ressources...) fait
apparaître des différences importantes
en fonction de ces paramètres. Il est
connu que les aciers pour la construction sont plutôt du type non allié, mais
leur composition est plus élaborée que
celle proposée par Ecoinvent.
L’objectif est donc de créer des compositions chimiques intermédiaires,
en respectant la norme des aciers de
construction. Quelques résultats relatifs
au matériau acier sont présentés en
figures 1 et 2.
La sensibilisation aux problématiques
environnementales a suscité la création
de nombreux « éco-quartiers », sans
que ce concept soit précisément étayé.
Or l’importance des risques, du niveau
local au niveau planétaire, justifierait
une approche plus rigoureuse : les décisions prises en matière d’urbanisme ont
une forte influence sur les secteurs du
bâtiment et des transports, qui contribuent de manière très importante à la
plupart des impacts environnementaux.
L’analyse de cycle de vie (ACV) permet
de répondre à cette problématique.
Cet outil d’ingénierie a pour but d’évaluer les impacts environnementaux d’un
système sur son cycle de vie, c'est-àdire depuis sa fabrication jusqu’à sa
fin de vie, en incluant un recyclage
éventuel d’où la notion de cycle. Cette
méthode a été développée d’abord
dans l’industrie depuis les années 70,
puis dans le secteur du bâtiment dans
les années 80, et finalement étendue
à l’ensemble des activités humaines.
Son application aux ensembles urbains
a été étudiée plus récemment, et plusieurs prototypes d’outils ont été développés durant ces dix dernières années.
C’est le cas par exemple de la chaîne
logicielle composée d’un modeleur graphique, ALCYONE (développé par Izuba
Energies), d’un outil de simulation thermique dynamique (COMFIE), d’un outil
d’ACV des Bâtiments (EQUER) et d’un
outil d’ACV des quartiers, développés
au Centre Energétique et Procédés de
MINES ParisTech.
La figure 3a montre l’exemple d’un
projet de quartier à Marne La Vallée
(Cité Descartes), et la comparaison
de variantes selon un diagramme
radar (3b) où chaque axe correspond
à un indicateur environnemental, par
exemple consommation d’énergie et
d’eau, contribution à l’effet de serre
(bilan CO2), génération de déchets,
atteintes à la santé et la biodiversité.
Le projet proposé est comparé à deux
références s’inspirant du quartier Vauban à Fribourg (Allemagne) : un quartier
à énergie positive (QEP) et un quartier
basse énergie (QBE). Se situant entre
ces deux références correspondant
aux meilleures pratiques actuellement
identifiées, le projet proposé pour la Cité
Descartes peut être considéré comme
performant du point de vue environnemental. La pratique courante des ACV
est basée sur des modèles statiques,
c'est-à-dire considérant des procédés
invariables dans le temps.
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ÉNERGIE,
URBANISME
3a
3b
© ALTER STUDIOS
Dans la réalité, les procédés et/ou les
conditions climatiques qui les influencent varient. C’est le cas en particulier
de la production d’électricité, qui présente des variations saisonnières liés
au chauffage et à la climatisation, des
variations hebdomadaires liées aux
usages professionnels, et des variations
horaires liées également aux usages
domestiques. L’analyse de ces variations a permis d’élaborer pour chaque
usage un modèle dynamique d’évolution du mix de production (% fournis par
les différentes filières) en fonction du
temps et d’une température moyenne
de référence (du fait des pointes de
consommations induites par le chauffage électrique en saison froide).
LA PROBLÉMATIQUE
DU STATIONNEMENT
Au sein des agglomérations urbaines,
le stationnement pose des enjeux
majeurs. Outre sa forte consommation
d’espace dû à l’immobilité des véhicules
qui passent la quasi-totalité de leurs
temps en arrêt, il ne fait qu’accentuer
les problèmes de congestion de trafic,
de pollution et plus généralement de
dégradation du cadre de vie. La pression sur l’offre, souvent limitée localement en quantité, augmente sans cesse
avec des besoins de demande hétérogènes dans l’espace et dans le temps.
S'il fallait hiérarchiser des priorités sur
les études à entreprendre en matière de
stationnement, la compréhension et la
représentation de sa dynamique interne
viennent en premier essor et constituent
une nécessité absolue et urgente. Dans
ce contexte, la mise sur scène de l’écoconception du stationnement permet de
proposer une meilleure qualité de service tout en réduisant ses impacts environnementaux, comment entreprendre
alors cette démarche éco-conçue et par
quel outils la mettre en place ?
Cette thèse réalisé au sein du laboratoire « Ville Mobilité Transport » a
pour objet de fournir une aide à la
© EQUER, WWW.IZUBA.FR
3a- Exemple
de projet.
3b- Comparaison
de trois variantes
par ACV.
4- Analyse
systémique du
stationnement.
3a- Example
of a project,
source.
3b- Comparison
of three variants
by LCA.
4- Systemic
analysis of
parking.
décision pour la conception et la gestion de stationnement en milieu urbain
par le développement d’un modèle
offre-demande afin de reproduire les
mécanismes internes du système et
d’évaluer l’ensemble de ses impacts
environnementaux tout en mettant en
évidence les interactions avec la circulation routière. L’enjeu à terme est de
concevoir, par quartier et en termes
d’infrastructure et de modes de régulation (contrôle, tarification), une offre
adaptée aux besoins, à la préservation
de l’environnement et qui garantie un
équilibre durable.
La réalisation a une analyse systémique de stationnement a permis de
dégager l’ensemble des composantes
du système (offre-usage-demande), sa
physionomie interne et ses mécanismes
de fonctionnement, et aussi de tracer
ses interactions avec les réseaux viaires
(notamment la capacité routière) et les
politiques de transport et d’aménagement (figure 4).
Le modèle considère trois échelles spatiales : une échelle « microscopique »
pour les conditions très fines d’usage
d’une place, en fonction de la géométrie dans son environnement immédiat,
une échelle « mésoscopique » pour
évaluer localement l’adéquation entre
d’une part les activités présentes dans
une zone (ex. quartier) et en conséquence les besoins, et d’autre part les
possibilités locales, enfin une échelle
« macroscopique » pour le fonctionnement d’un système de stationnement
sur l’ensemble d’une agglomération,
en intégrant les fonctions propres des
zones et les possibilités de report dans
l’espace et dans le temps entre zones,
entre lots de stationnement et, a priori
entre mode de déplacement.
LA BIODIVERSITÉ
DANS L’ÉCO-CONCEPTION
DES QUARTIERS
4
© DR
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La préservation de la biodiversité, en
particulier en ville, est un enjeu essentiel
dans l’éco-conception des quartiers,
mais les décideurs manquent d’outils.
5
© DR
La thèse réalisée au Laboratoire Écologie Systématique et Évolution à Orsay
(Université Paris Sud 11) a pour objectif
d’apporter des réflexions scientifiques,
des méthodes de travail et des outils sur
ces questions.
Les aménagements en faveur de la
biodiversité dans les éco-quartiers existants ou en projet ont été étudiés en
France et dans d’autres pays d’Europe.
Parmi les principales mesures mises en
œuvre, on retrouve la préservation des
éléments naturels majeurs existants,
une réflexion dans le choix des plantes
à utiliser, l’augmentation des surfaces
d’espaces verts (au sol et sur les bâtiments) et des campagnes de sensibilisation des résidents.
Une des premières questions a été de
savoir quelle biodiversité est nécessaire
ou désirée en ville et comment la mesurer. Les indicateurs de biodiversité sont
principalement basés sur le nombre
d’espèces et leur abondance dans
un territoire donné. Mais il est surtout
important de prendre en compte les
caractéristiques des espèces, c'està-dire si elles sont rares, locales ou
exotiques, leurs fonctions dans l’écosystème et les services écosystémiques
5- Un nécessaire
compromis entre
le cout d'investissement et
la performance
énergétique en
réhabilitation.
5- A necessary
compromise
between capital
costs and energy
efficiency in
renovation .
qu’elles peuvent rendre. On peut alors
parler de biodiversité fonctionnelle.
Utiliser des indicateurs centrés sur les
processus écologiques plutôt que sur
la quantité d’espèces est alors pertinent.
Un nouvel outil, le Profil-Biodiversité,
est actuellement appliqué à titre expérimental sur la Cité Descartes afin de
le valider scientifiquement. Il s’agit du
premier outil d’évaluation, de comparaison et de suivi de la progression de
la biodiversité, permettant d’estimer le
potentiel en biodiversité du site et de
d’évaluer au cours du temps l’effet de
mesures facilement réalisables. Cet outil
prend en compte cinq leviers d’action
favorables à la biodiversité : la défragmentation du territoire, la réduction des
intrants, les biotopes, les ressources, et
les échanges.
Les nouveaux quartiers, dont les écoquartiers, contribuent pour la plupart
à l’étalement urbain, synonyme de
destruction des milieux naturels et
semi-naturels en périphérie des villes.
Pour étudier cette problématique, une
modélisation par système multi-agents
est réalisée. Cette modélisation vise à
constituer un outil d’aide à la décision
en permettant aux acteurs concernés
de prendre conscience des intérêts de
chacun, de dialoguer sur le sujet de la
biodiversité et de trouver un compromis
satisfaisant.
LA RÉHABILITATION
DU PARC EXISTANT
Le taux de renouvellement moyen du
parc existant est inférieur à 1 % par an.
Il est donc essentiel de travailler sur la
réhabilitation pour atteindre des objectifs environnementaux comme la division par 4 des émissions de gaz à effet
de serre entre 1990 et 2050. D’autant
plus que des projets de démonstration
ont démontré qu’il est parfois possible
d’atteindre un facteur 10 par la réduction des besoins en énergie, l’efficacité
des équipements et l’intégration de la
production d’énergie renouvelable.
Du point de vue de l’aide à la conception, si les outils de simulation existants
permettent l’évaluation de scénarios,
l’optimisation de programmes de réhabilitation, ciblant les mesures à mettre
en œuvre et leur phasage dans le
temps, demeure une tache complexe à
appréhender pour les professionnels qui
procèdent généralement par simulations
successives, guidées par l’expérience.
Au sein de la Chaire, des méthodes
d’optimisation multicritère sont alors
développées dans le cadre d'une colla-
boration entre l’institut Navier de l’École
des Ponts ParisTech et le CEP de MINES
ParisTech. Des algorithmes génétiques
ou la programmation dynamique sont
mis en œuvre pour optimiser simultanément la composition et le phasage dans
le temps des actions de réhabilitation.
Les mesures de réhabilitation ciblent
l’enveloppe de bâtiment pour la réduction des besoins (isolation thermique,
remplacement des ouvrants, dimension des ouvertures), le remplacement
des équipements de ventilation et de
chauffage, la production d’eau chaude
sanitaire solaire. Pour chacune de ces
mesures, différentes variantes sont
considérées.
Par exemple, la figure 5 représente les
« fronts de Pareto » obtenus par l’étude
de la réhabilitation séquentielle d’un
petit bâtiment collectif de 10 logements.
Résultats d’une optimisation multicritère, les fronts (de différentes couleurs)
représentent les solutions optimales
obtenues aux différentes générations
issues d’un algorithme génétique.
Au fil des générations, on constate une
amélioration de la qualité des solutions,
tant sur le plan de leurs performances
que de leur étalement sur la surface de
compromis.
Ce graphique illustre explicitement la
nécessité d’un compromis ; il n’est
pas possible de minimiser à la fois la
consommation d'énergie et le coût
des travaux de réhabilitation. Plus on
cherche à réduire la consommation
sur le cycle de vie, plus la réhabilitation
coûte cher. Les surfaces de compromis
obtenues à l’issue de l’optimisation
permettent aux décideurs d’ajuster les
investissements pour maximiser les
bénéfices en termes de performance
énergétique et de bilan environnemental, sur le cycle de vie. m
Pour en savoir plus :
www.chaire-eco-conception.org
ABSTRACT
BUILDINGS, TRANSPORT AND BIODIVERSITY:
EDIFICIOS, TRANSPORTES, BIODIVERSIDAD:
THE CONTRIBUTIONS OF THE PARISTECH – VINCI ECODESIGN CHAIR TO THE SUSTAINABLE CITY
LAS APORTACIONES DE LA CÁTEDRA DE ECODISEÑO
PARISTECH – VINCI A LA CIUDAD SOSTENIBLE
PARISTECH : F. GOMES, G. HERFRAY, H. BOUJNAH, A. HENRY, M. RIVALLAIN
VINCI : M. TROCMÉ, C. GOBIN
PARISTECH : F. GOMES, G. HERFRAY, H. BOUJNAH, A. HENRY, M. RIVALLAIN
VINCI : M. TROCMÉ, C. GOBIN
The "Building and Infrastructure Eco-design" chair is a long-term
partnership established in 2008 between VINCI and three ParisTech schools
(MINES ParisTech, Ecole des Ponts ParisTech and AgroParisTech) with
a view to developing research and higher education in this field. In 2011,
after three years in activity, the ParisTech - VINCI "Eco-design" chair recently
completed a first stage, for which we outline the approach and describe
the achievements in detail. m
Desde 2008, la cátedra “Ecodiseño de conjuntos de edificios y de
infraestructuras” es una colaboración de largo plazo entre VINCI y tres
escuelas de ParisTech (MINES ParisTech, la École des Ponts ParisTech
y AgroParisTech) que tiene como objetivo desarrollar la investigación y
la enseñanza superior en este ámbito. En 2011, al término de tres años
de actividad, la cátedra “Ecodiseño” ParisTech VINCI acaba de pasar una
primera etapa, y es conveniente presentar sus experiencias exponiendo
la problemática antes de desarrollarlas. m
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